基于GIW组合赋权的白杨河矿区矿井涌水条件综合评价与空间分区

《Water》：Comprehensive Evaluation and Spatial Zoning of Mine-Water Inflow Conditions in the Baiyanghe Coal Mining Area Using GIW Combined Weighting

　　

摘要 为刻画新疆白杨河煤矿区矿井涌水条件的空间差异，研究人员选取了8项指标，分别代表含水介质、外部补给、导水潜力以及顶板岩石对水的响应。研究人员采用等系数（0.5:0.5）将基尼权重（Gini Weight）与独立性权重（Independence Weight）相结合，形成基尼–独立性组合赋权（Gini–Independence Weighting, GIW），并借助地理信息系统（GIS）进行评价与分区。其中，基尼权重依据评价单元间的指标变异确定，独立性权重依据指标间的多重相关性确定。不同单一方法对部分指标赋予了明显不同的权重。GIW划定的中高和高分区占研究区面积的40.81%，主要呈不连续斑块状分布于矿区西部和中部。与43个历史异常涌水点对比显示，基尼权重、独立性权重和GIW划定的中高及高分区分别覆盖了33、31和36个涌水点。GIW实现了83.72%的覆盖率，且包含了任一单一方案所覆盖的全部涌水点。在覆盖80%记录涌水点的条件下，GIW所需面积为37.04%，低于任一单一方案。三种方案覆盖曲线下面积（AUC）相近，基尼权重、独立性权重和GIW分别为0.7851、0.7659和0.7816。GIW在保留两种赋权准则主要优先区域的同时，整合了二者互补的空间格局。所划分的分区代表了矿区涌水条件的相对差异；个别异常涌水还取决于局部水源、导水通道和开采条件。

基于GIW组合赋权的白杨河矿区矿井涌水条件综合评价与空间分区——论文解读

一、研究背景与研究意义

地下开采会改变含煤地层中含水层与隔水层的空间配置及地下水流动状态，从而改变潜在水源与矿井巷道之间的水力联系。矿井涌水量既取决于水源的补给能力，也取决于含水介质的性质；断层、天然裂隙及采动损伤形成的通道则控制着水的运移路径。在大面积、水文地质条件复杂的矿区，含水介质性质、外部补给条件、导水潜力和顶板岩石对水的响应等要素在不同地点存在显著差异，导致矿井涌水条件呈现明显的空间分异。因此，对矿区整体进行评价时必须考虑这些差异，以识别更有利于涌水的区域。

现有矿井水害空间评价多针对特定水源和受威胁煤层展开，如底板承压水害评价关注水压、隔水层特征、断层和开采条件，顶板水害评价则侧重含水层富水性、隔水层阻水能力和采动裂隙与含水层的水力联系。然而，将评价从某一特定顶板或底板水害拓展至整个矿区的涌水条件，需要综合考虑含水层富水性与渗透性、外部补给、导水潜力和顶板岩石对水的响应等多方面因素。在构建综合评价框架时，各控制因素的相对贡献取决于所赋权重。现有研究采用层次分析法、熵权法和组合赋权等方法确定权重，但不同数据驱动方法对指标重要性的判定依据不同——有的基于评价单元间指标值的变异，有的基于信息含量，有的基于指标间的相关性——同一数据集采用不同方法会得到不同权重。基尼权重依据指标在评价单元间的变异程度赋权，独立性权重则利用各指标与其余指标的多重相关系数衡量其独立信息的贡献。将二者结合，可同时兼顾评价单元间的变异和指标间的相关性。评价结果需与实测涌水记录进行对比验证，以检验分区是否有效捕获了涌水条件的空间差异。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员以新疆白杨河煤矿区为研究对象，该矿区位于天山北麓与准噶尔盆地南缘的过渡地带，面积约230 km2，主采煤层赋存于中侏罗统西山窑组。研究数据来源于矿区及所属矿井的地质与水文地质报告，包括钻孔和抽水试验观测、河流/断层/烧变岩分布图以及历史矿井涌水记录。主要技术方法包括：选取8项评价指标，即单位涌水量q、渗透系数K、有效含水层累计厚度H、有效含水层岩性系数L_H、顶板软化系数K_s、距河流距离D_r、距断层距离D_f和距烧变岩距离D_b；采用普通克里金插值将点状观测数据转化为连续空间图层，距离类指标按最短平面距离计算，并统一至25 m网格；采用极差标准化和截断线性邻近函数对指标进行标准化；以250 m×250 m网格为权重计算单元，分别计算基尼权重和独立性权重，并以0.5:0.5的等系数加权平均形成GIW权重；通过加权求和计算矿井涌水条件综合指数，采用Fisher–Jenks自然断点法划分低、中低、中高和高四类涌水条件分区；利用43个历史异常涌水点进行验证，采用累积面积–涌水点覆盖率曲线、曲线下面积（AUC）和A₈₀指标比较三种赋权方案的性能，并通过点对点及空间分块bootstrap重抽样估计不确定性。

三、研究结果

3.1 指标权重及方法间差异

q与K的相关系数最高（r = 0.8540），H与L_H次之（r = 0.4755），其余指标间相关系数绝对值均未超过0.3578。两种单一赋权方法对部分指标赋予了明显不同的权重：基尼权重因距断层和距烧变岩指标在评价单元间变异较大而赋予较高权重，K_s因变异较小而权重较低；独立性权重则因K_s与其余指标相关性弱而赋予其较高权重，距烧变岩因多重相关系数较高而权重较低。距断层在两种方法下均获得较高权重。GIW将各指标权重置于两种单一方法之间，缩小了指标间权重差异。

3.2 GIW综合指数的空间格局与分区

GIW综合指数F介于0.111至0.779之间，高值区主要呈不连续斑块状分布于矿区西部和中部，多出现在断层附近及南部边缘部分烧变岩体附近。经Fisher–Jenks分类后，中高和高分区分别占矿区面积的31.80%和9.01%，合计40.81%；低和中低分区分别占24.50%和34.69%。各矿井的涌水条件类别占比差异显著：丰源、白杨沟和红桑沟几乎全部属于高分区，宏鑫也以高分区为主；西沟、小干沟和西铁列克以中高分区为主；白杨河、宽沟、东铁列克和苇子沟则以低和中低分区占较大比例，中高和高分区仅局限于部分区域；石梯子马道沟大部分属于低分区。即使在以低和中低分区为主的矿井中，也存在局部中高或高分区。

3.3 赋权方案空间比较与历史涌水记录验证

基尼权重与独立性权重划定的中高和高分区Jaccard系数为0.557，表明两者优先区域存在局部差异；两种方案连续F值的Spearman相关系数为0.922，排序高度一致。GIW保留了基尼方案优先区域的99.98%和独立性方案优先区域的96.22%。基尼和独立性权重划定的中高及高分区分别覆盖43个历史异常涌水点中的33个和31个，覆盖率分别为76.74%和72.09%；两方案共同覆盖28个涌水点，另有5个仅被基尼方案覆盖、3个仅被独立性方案覆盖。GIW的中高及高分区覆盖36个涌水点，覆盖率达83.72%，且包含了任一单一方案覆盖的全部涌水点。在覆盖80%历史涌水点的条件下，GIW所需评价面积为37.04%，低于基尼方案的38.82%和独立性方案的43.83%。三种方案的AUC值相近，分别为0.7851（基尼）、0.7659（独立性）和0.7816（GIW）。空间分块bootstrap检验显示，各方案间AUC和A₈₀差异的95%置信区间均包含零。

3.4 补充比较与敏感性分析

权重网格从125 m变化至500 m对GIW结果影响很小，三种网格均覆盖36个历史涌水点，AUC值为0.7816–0.7817。自然断点优先区域在不同截断距离和组合系数情景下有所变化，等面积选择下空间一致性更高。距离评分函数对连续排序和空间范围有影响，替代方案AUC值为0.7279–0.7902，A₈₀值为39.27%–52.89%。

四、讨论与结论

GIW划定的中高和高分区包含了任一单一赋权方案覆盖的全部历史异常涌水点，覆盖率提高至83.72%。两种赋权准则强调指标数据的不同特征，解释了其空间互补性：基尼权重侧重距断层和距烧变岩指标，独立性权重则更重视K_s、D_r和L_H，两者对D_b和K_s的权重差异尤为突出。GIW在保留两种方法共同强调的断层邻近性的同时，平衡了二者对烧变岩邻近性和顶板软化作用的不同侧重。尽管两种单一方案的连续F值排序高度一致（Spearman r = 0.922），但优先区域的Jaccard系数仅为0.557，说明部分地点被划分为不同类别。GIW覆盖了全部8个仅被单一方案覆盖的涌水点，同时保留了两种方案绝大部分优先区域，但优先区域面积也相应增大至40.81%。在80%涌水点覆盖目标下，GIW所需面积小于任一单一方案，而三者AUC值相近。

区域水文地质条件为异常矿井涌水提供了背景条件。以丰源煤矿为例，白杨沟河从矿井南部穿过，烧变岩带宽约700 m，裂隙烧变岩地下水接受河水侧向渗漏、降水和融雪的补给，抽水试验单位涌水量约0.853–0.856 L·s?1·m?1。2021年4月10日丰源煤矿重大突水事故的直接水源为相邻白杨树煤矿废弃采空区积水：白杨沟河洪水进入井下并在相互连通的采空区中蓄积，白杨树煤矿废弃斜井穿越矿井边界进入丰源边界煤柱，缩短了积水巷道与生产巷道之间的距离；掘进接近积水区时，水压和采动扰动导致剩余煤柱失稳，积水经斜井涌入丰源回风巷。事故调查还发现，采空区积水曾被误判为顶板砂岩裂隙水，掘进前方探测到的低阻异常未通过钻探验证。在GIW划定的高分区内，将地球物理异常的位置与废弃采空区边界、巷道和煤柱位置进行对比，结合开采过程中的水位和涌水量变化，有助于识别水源及潜在涌水通道。

研究结论如下：（1）GIW以等系数算术平均组合基尼权重和独立性权重，两种准则分别强调评价单元间的变异和指标间的信息独立性，对部分指标产生明显不同的权重；组合方案平衡了这些差异，距断层、距烧变岩和渗透系数K获得相对较高的权重。（2）GIW高指数值主要呈不连续斑块状分布于矿区西部和中部，中高和高分区占40.81%的面积；在矿井尺度上，丰源、白杨沟、红桑沟和宏鑫的高分区占比较大，分区结果揭示了矿井之间及矿井内部涌水条件的显著空间差异。（3）GIW划定的中高和高分区覆盖43个历史异常涌水点中的36个（83.72%），包含了任一单一方案覆盖的全部涌水点，并保留了单一方案的大部分优先区域；在80%涌水点覆盖目标下，GIW所需面积小于任一单一方案，而三者AUC值相近，表明GIW整合了两种准则互补的优先格局。（4）区域水文地质条件构成异常涌水的背景，水源与矿井巷道之间有效水力联系的形成是单个涌水事件的关键环节；区域分区为选择矿井和局部区域开展进一步调查提供了依据，在采掘工作面尺度上，需结合局部水源、水力屏障、导水通道、开采条件和水文观测来识别涌水路径并指导防治措施。